JPWO2005122322A1 - 色素増感型太陽電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
2枚の基板の間隔を一定に保つとともに、基板間に保持される電解液の量及び流動性を制御することにより、再現性に優れ安定した性能を持つ色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供する。少なくとも一方の透明基板表面に透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された2枚の基板を重ね合わせ、該2枚の基板の間に電解液を封入してなる色素増感型太陽電池において、該2枚の基板間において、2本以上の線材からなる網目状の部材であって電極として働く部材を配置していること特徴とする色素増感型太陽電池。
Description
本発明は光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する色素増感型太陽電池及びその製造方法に関する。
1991年にグレッツェルらが発表した色素増感太陽電池は、シリコン半導体のp-n接合による太陽電池とは異なるメカニズムによって作動し、変換効率が高くしかも製造コストが安いという利点があり、この太陽電池は、内部に電解液を封入してあることから、色素増感型太陽電池とも呼ばれる。
この太陽電池は、図4に示すように、透明基板1の一方の面に形成された透明導電膜7と、増感色素を担持させた半導体電極(色素増感半導体電極4)が形成された導電性基板5とを電解液を含ませた状態で重ね合わせ、その周囲に樹脂を塗って封止されている。導電性基板の表面に設けられた多孔質な酸化チタン皮膜にルテニウム錯体など太陽光を効率的に吸収することができる増感色素がコ−ティングされたものを色素増感半導体電極として用いると、光によって励起された電子が酸化チタンに注入されて電気を流すことができる。このタイプの太陽電池では、電子の授受のために電解液が必要であり、一般的にはヨウ素電解液が用いられている。
特公平8−15097号公報。
特開2000−173680号公報。
図4に示す従来の色素増感太陽電池では、電解液を封止するために周辺部(断面部付近)に厚い樹脂を塗布し硬化させているのみであり、2枚の基板の間隔が太陽電池の作製毎に違っていたり、1つの太陽電池内でも異なっていたりするため、電解液の量が一定とならず、太陽電池を傾けると電解液が流出してしまうなどの再現性・安定性の問題があった。
また、色素増感半導体電極として用いられる多孔質の酸化チタン皮膜は、塗布方法や粒径や厚さによって表面の凹凸形状が異なるものであるが、その凸部が対向する基板の導電膜と接触してしまうと、色素増感半導体電極と導電膜とが電解液を介さず通電されてしまうことになるため、電子の授受が十分に行われず、太陽電池としての効率の低下、性能の不安定化を招いてしまう。
そこで、本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、2枚の基板の間隔を一定に保つとともに、基板間に保持される電解液の量及び流動性を制御することにより、再現性に優れ安定した性能を持つ色素増感型太陽電池及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
発明者らは鋭意研究の結果、色素増感型太陽電池の両基板間に網目状に編み込んだ線材を挟み込み、これにより電解液を保持することで、上記の課題が解決されることに想到した。
すなわち、本発明は、少なくとも一方の透明基板表面に透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された2枚の基板を重ね合わせ、該2枚の基板の間に電解液を封入してなる色素増感型太陽電池において、該2枚の基板間において、2本以上の線材を網目状に編み込んでなる部材であって電極として働く部材を配置していること特徴とする色素増感型太陽電池を提供するものである。
本発明の色素増感型太陽電池において、前記線材は導電性を有していることを特徴とする。あるいは、前記線材は絶縁性であり、前記線材の片側又は両側の表面に導電性被膜が形成されていてもよい。
本発明の色素増感型太陽電池において、前記線材の厚さは、前記基板の透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された表面における凹凸の高さよりも大きいことを特徴とする。
本発明の色素増感型太陽電池において、前記2枚の基板のうち、透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成されていない基板は絶縁性であることを特徴とする。
以上説明した通り、本発明によれば、2つの基板間に電解液保持・電極材を配置することにより、保持される電解液の量が安定し、その流動性が抑制されるとともに、色素増感半導体電極と導電膜とが電解液を介さないで通電されることがなくなるため、効率がよく再現性に優れ安定した性能を持つ色素増感型太陽電池が提供される。
1 基板
2 電解液保持・電極材
3 電解液
4 色素増感半導体電極
5 透明ガラス基板
6 透明導電性膜
7 導電膜
8 シール材
2 電解液保持・電極材
3 電解液
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7 導電膜
8 シール材
以下、本発明の実施形態としての色素増感型太陽電池について図面を用いて参照しながら説明する。本発明の実施形態の色素増感型太陽電池の概略断面図を図1に示す。
図1において、本実施形態の色素増感型太陽電池は、基板1と、色素増感半導体電極4及び透明導電性膜6が形成された透明ガラス基板5とを有しており、両基板の間には、網目状の電解液保持・電極材2が配置され、電解液3が含まれている。尚、両基板は側面にシール材を塗布して封止してあるが、ここでは図示を省略している。
基板1は、絶縁性のガラス基板やセラミックス基板、金属やカーボン等々の導電性材料を形成した基板、あるいは金属板などで構成することができる。透明ガラス基板5は、透明のプラスチック基板等で代用してもよい。色素増感半導体電極4は、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム等から構成することができるが、これらに限定されるものではない。透明導電性膜6は、ITO(錫含有酸化インジュウム)、酸化錫、酸化亜鉛等から構成することができるが、これらに限定されるものではなく、透過率を低下させない程度の膜厚の白金やメタル、又は炭素膜も適用可能である。シール材は、温度により硬度が変化する材料などであって、基板間を封止できるものであればよい。
電解液保持・電極材2は、複数の線材を網目状に編み込んだメッシュ状になっており、線材の編み込み方については、平織、綾織、平畳織、綾畳織などがある。1本の線材を編み込んだものだけではなく、2本以上の線材をよじった撚り線ものを編み込んだものを用いてもよい。電解液保持・電極材2の線材の形状は、角柱状、円柱状等とすることができるが、これらに限定されるものではない。前記電解液保持・電極材2の厚みは、導電性基板の表面の凹凸や色素増感半導体電極4の凹凸よりも大きければよく、一般的には数μm〜1mm程度、より好ましくは数十μm〜数百μm程度とする。電解液保持・電極材2の網目間隔や線材径などについては、網目間や線材間に電解液が浸み込んで電解液の流動が抑制されるという効果が生じるように、任意に選択すればよい。
電解液保持・電極材2の線材の材質は、ステンレスやAlやNi等の金属性の導電性材料を用いるもののほか、ガラス、アルミナ等のセラミックス、ナイロンやポリイミド等の高分子からなる絶縁材料の片側の表面にPtやカーボンやAlやNi等の金属を蒸着やメッキ法で被膜したものであってもよいが、これらに限定されるのもではなく、使用する電解液に溶解したり、電解液を弾いたり(撥水性)しないものであればよい。
次に、本発明の実施形態の色素増感型太陽電池の製造方法について、図2を参照しながら説明する。
まず、透明ガラス基板5として、透明なガラス基板又はプラスチック基板を用意し、この基板上にITO(錫含有酸化インジュウム)、酸化錫、酸化亜鉛等からなる、もしくは透過率を低下させない程度の膜厚の白金、Ti等のメタル又は炭素膜等からなる透明導電性膜6を形成する。
次に、透明導電性膜6の表面上に酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム等の金属酸化物微粒子と少量の有機高分子とを含有するコロイド溶液を印刷法等により塗布し、自然乾燥させた後、500℃の温度で加熱処理して有機高分子を揮発させる。このとき、金属酸化物微粒子を塗布した表面には、微細な細孔が形成される。ここで、表面の凹凸の高さをαステップ等の表面形状評価装置で測定しておく。このようにして透明導電性膜6の表面上に形成した多孔質の金属酸化膜を増感色素の溶液に浸漬し、その表面に増感色素を吸着させて、色素増感半導体電極4を形成する。
このようにして透明導電性基板5に形成された色素増感半導体電極4の上に、網目状に編み込まれた電解液保持・電極材2を配置する。図3は、この電解液保持・電極材2の配置を概略的に示す上面図である。このとき、電解液保持・電極材2は、上記で測定した色素増感半導体電極4表面の凹凸の高さよりも厚みが大きいものを準備することとする。
その後、電解液保持・電極材2を上方から挟むようにして基板1を重ね合わせ、基板間にヨウ素電解液を注入し、基板間の周囲にシール材を塗布する。尚、電解液3は、ヨウ素電解液に限定されるものではなく、酸化・還元種を含む有機電解液であればよい。
実施例1
上記した実施形態による色素増感型太陽電池を以下の様な手順で製作した。大きさが2×3cm、厚さ2.8mmのガラス基板を2枚用意し、一枚には透明導電性膜6としてITO膜をスパッタ法で200nm形成した。この表面の凹凸の高さはほぼ1μm以下であった。透明導電性膜6を形成した基板5上にテープ等でマスキングし塗布した後、粒径約20nmの光触媒用酸化チタンを水とポリエチレングリコール、硝酸を加えよく混ぜペースト状にし、印刷した。
上記した実施形態による色素増感型太陽電池を以下の様な手順で製作した。大きさが2×3cm、厚さ2.8mmのガラス基板を2枚用意し、一枚には透明導電性膜6としてITO膜をスパッタ法で200nm形成した。この表面の凹凸の高さはほぼ1μm以下であった。透明導電性膜6を形成した基板5上にテープ等でマスキングし塗布した後、粒径約20nmの光触媒用酸化チタンを水とポリエチレングリコール、硝酸を加えよく混ぜペースト状にし、印刷した。
次に、大気中500℃で30分間加熱処理し、冷却し平均厚さ10μm程度のチタニア膜とした。この表面の凹凸の高さはほぼ30μm以下であった。これより、使用する電解液保持・電極材2は30μm以上の厚みを持つものを使用することとした。さらに、上記で形成したチタニア膜をルテニウム錯体のアセトニトリル溶液に浸漬した。その結果、皮膜を構成する酸化チタン微粒子上に、増感色素であるルテニウム錯体が吸着、コ−ティングされ、色素増感半導体電極4が形成された。
電解液保持・電極材2としては、16μm径のステンレス製の線材3本を縄状にしたワイヤーを作成した後、ほぼピッチ100μmで網目状にしたメッシュを作製した。厚さは約50μmとなった。色素増感半導体電極4を形成した基板5ともう一方の基板1との間に電解液保持・電極材2を挟むようにして重ね合わせた後、基板間にヨウ素電解液3を注入した。
ヨウ素電解液3としては、0.5Mヨウ化リチウムと0.05Mヨウ素を3−メトキシプロピオニトリルとアセトニトリル混合溶液に溶解したものを用いた。さらに、ディスペンサーを用いて基板間の周辺にシール材を塗布し封止して、色素増感型太陽電池を作製した。
実施例2
本実施例では、実施例1で用いた電解液保持・電極材の片側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のPtを被膜したものを用いた以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。
本実施例では、実施例1で用いた電解液保持・電極材の片側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のPtを被膜したものを用いた以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。
実施例3
本実施例では、実施例1で用いた電解液保持・電極材の両側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のPtを被膜したものを用いた以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池 を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。
本実施例では、実施例1で用いた電解液保持・電極材の両側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のPtを被膜したものを用いた以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池 を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。
実施例4
本実施例では、電解液保持・電極材2として、16μm径のナイロン線材を用い、厚さ100μm程度のピッチ100μm程度のメッシュとした。この電解液保持・電極材2の片側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のPtを被膜したものを用いて、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。
本実施例では、電解液保持・電極材2として、16μm径のナイロン線材を用い、厚さ100μm程度のピッチ100μm程度のメッシュとした。この電解液保持・電極材2の片側表面にイオンビームアシスト蒸着法によって10nm程度のPtを被膜したものを用いて、実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を作製した。本実施例のセルは10セル作製した。
比較例
上記の実施例に対する比較例として、電解液保持・電極材2を用いない以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を10セル作製した。
上記の実施例に対する比較例として、電解液保持・電極材2を用いない以外は実施例1と同様にして色素増感型太陽電池を10セル作製した。
比較結果
実施例1〜4で作製した色素増感型太陽電池に、キセノンランプを照射して起電力を測定したところ、比較例のセルは100mW、1cm2あたりの短絡電流は5〜15mA、開放電圧は0.57〜0.65Vであったのに対し、実施例1のセルは1cm2あたりの短絡電流は約15mA、開放電圧は約0.6V、実施例2のセルは1cm2あたりの短絡電流は約20mA、開放電圧は約0.65V、実施例3のセルは1cm2あたりの短絡電流は約25mA、開放電圧は約0.65V、実施例4のセルは10セルとも1cm2あたりの短絡電流は約8mA、開放電圧は約0.60V、であった。
実施例1〜4で作製した色素増感型太陽電池に、キセノンランプを照射して起電力を測定したところ、比較例のセルは100mW、1cm2あたりの短絡電流は5〜15mA、開放電圧は0.57〜0.65Vであったのに対し、実施例1のセルは1cm2あたりの短絡電流は約15mA、開放電圧は約0.6V、実施例2のセルは1cm2あたりの短絡電流は約20mA、開放電圧は約0.65V、実施例3のセルは1cm2あたりの短絡電流は約25mA、開放電圧は約0.65V、実施例4のセルは10セルとも1cm2あたりの短絡電流は約8mA、開放電圧は約0.60V、であった。
このように、本発明の色素増感型太陽電池は、再現性に優れ安定した性能を有するものであることが確認できた。
以上、本発明の色素増感型太陽電池及びその製造方法について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。
Claims (5)
- 少なくとも一方の透明基板表面に透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された2枚の基板を重ね合わせ、該2枚の基板の間に電解液を封入してなる色素増感型太陽電池において、
該2枚の基板間において、2本以上の線材を網目状に編み込んでなる部材であって電極として働く部材を配置していること特徴とする色素増感型太陽電池。 - 前記線材は導電性を有していることを特徴とする請求項1記載の色素増感型太陽電池。
- 前記線材は絶縁性であり、前記線材の片側又は両側の表面に導電性被膜が形成されていることを特徴とする請求項1記載の色素増感型太陽電池。
- 前記線材の厚さは、前記基板の透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成された表面における凹凸の高さよりも大きいことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の色素増感型太陽電池。
- 前記2枚の基板のうち、透明導電膜及び色素増感半導体電極が形成されていない基板は絶縁性であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の色素増感型太陽電池。
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